2.2 图形硬件设备

2.2.1 图形输入设备

图形输入设备从逻辑上分为6种，如表2-1所示。但实际的图形输入设备往往是某些逻辑输入功能的组合。下面介绍几种常用的图形输入设备。

表2-1 图形输入设备的逻辑分类

1.鼠标

鼠标是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备，除了键盘外，它已成为我们使用计算机的主要输入工具。鼠标的基本工作原理是：当移动鼠标时，它把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，计算机再把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。鼠标价格便宜，操作方便，是目前图形交互时使用得最多的图形输入设备。鼠标有光电式和机械式两种。

光电式鼠标利用发光二极管与光敏晶体管来测量位移。前、后位置的夹角使二极管发光，经鼠标板反射至光敏晶体管，由于鼠标板均匀间隔的网格使反射光强弱不均，反射光的变化便转化为表示位移的脉冲。

机械式鼠标内有3个滚轴，即空轴、x向滚轴、y向滚轴，它还有1个滚球。x向、y向滚轴带动译码轮，译码轮位于两个传感器之间且有一圈小孔，二极管发向光敏晶体管的光因被译码轮阻断而产生反映位移的脉冲，两脉冲相位成90°角。

目前常用的鼠标有二键、三键、四键式，在不同的使用中相应软件定义鼠标按键的操作方式及其功能含义是各不相同的。鼠标按键一般有下述5种操作方式。

（1） 单击：按下一键，立即释放；

（2） 按住：按下一键，不释放；

（3） 拖动：按下一键，不释放，并且移动鼠标；

（4） 同时按住：同时按下2个或3个键，并且立即释放；

（5） 改变：不移动鼠标，连续单击同一个键2次或3次。

2.跟踪球和空间球

跟踪球是一个球，可以通过手指或掌心旋转使得屏幕光标移动，附加的电压计量器用来测量球的旋转量和方向。跟踪球通常安装在键盘或其他设备上，它是进行二维定位的设备。空间球是用于三维定位和选择操作的，它提供了6个自由度。与跟踪球不同的是，空间球实际并不转动。当在不同方向上推拉球体时，张力标尺测量施加于空间球的压力，从而提供空间定位和方向输入。

3.操纵杆

操纵杆是由小的垂直杆（称手杆）安装在一个基座上构成的，它用于对屏幕光标的环绕操纵。多数操纵杆以手杆的实际移动来选择屏幕位置，而其他操作则对杆上的压力进行响应。

手杆从其中心位置向任意方向移动的距离，对应于屏幕光标向该方向的移动量。安装在操纵杆底部的电压计量器测量移动量，并且在释放手杆时，该手杆跳回到中心位置。可以对一个或多个按扭进行编程以将其作为输入开关，从而在一旦选定屏幕位置时给出某些操作信号。

在另一类可移动操纵杆中，手杆用来激活开关，从而引起屏幕光标在选定方向上以恒定速度移动。有时提供8个开关并排成一圈，因此手杆可以选择8个方向中任意一方向来使光标移动。压力感应式操纵杆有一个不可移动的手杆，由张力标尺测量施于手杆的压力，并转换为指定方向上的光标移动量。

4.数据手套

数据手套可以用来抓住“虚拟”对象。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合，可以提供关于手的位置和方向的信息。发送和接收天线各由一组3个互相垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。来自手套的输入，可用来定位或操纵虚拟场景中的对象。该场景的二维投影可在视频监视器上观察，或者使用头套观察三维投影。

5.光笔

光笔是一种检测装置，确切地说是能检测出光的笔。光笔的形状和大小像一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏上的光通过光孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机和显示器的显示控制器。光笔的结构如图2-1所示。

还有一种光笔是将光电转换器件和放大整形电路都装在笔体内，这样可省去光导纤维，光笔直接输出电脉冲信号。光笔具有定位、拾取、笔画跟踪等多种功能。

光笔不再像以前那样普及，因为同其他输入设备相比，光笔有其不足之处。其一，当光笔指向屏幕时，手和笔迹将遮挡屏幕图像的一部分，而且长时间使用光笔，会造成手腕的疲劳。其二，对于某些应用，光笔需要专门的工具，因为它不能检测黑暗区域内的位置。为了使光笔能选择任何屏幕区域的位置，应该将每个屏幕像素都设定为非零亮度。另外，有时因房间发光背景，光笔会产生误读现象。

6.触摸屏

触摸屏是一种定位设备，它是一种对于物体触摸能产生反应的屏幕。当人的手指或其他物体触到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处理。根据采用技术的不同，触摸屏分为电阻式、电容式、红外线式和声表面波式几种。

（1） 电阻式触摸屏。电阻式触摸屏使用一种两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再安装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。这两个透明涂层之间约有0.0025 mm的距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该处的电阻发生变化，在屏幕的x、y方向上分别测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。

（2） 电容式触摸屏。电容式触摸屏使用一个接近透明的金属涂层覆盖在一个玻璃表面上，当手指接触到这个涂层时，由于电容的改变，使得连接在一角的振荡器频率发生变化，测量出频率改变的大小即可确定触摸的位置。

（3） 红外线式触摸屏。红外线式触摸屏通常是在屏幕的一边用红外器件发射红外光，而在另一边设置接收装置检测光线的遮挡情况。这里可用两种方式：一种是直线式光束扫描系统，它是利用互相垂直排列的两列红外发光器件在屏幕上方与屏幕平行的平面内组成一个网格，而在相对应的另外两边用光电器件接收红外光，检查红外光的遮挡情况，当手指触在屏幕上时，就会挡住一些光束，光电器件就会因为接收不到光线而发生电平变化。另一种是倾斜角光束扫描系统，它利用扇形的光束从屏幕两角照射屏幕，在和屏幕平行的平面内形成一个光平面，产生触摸时，通过测量投射在屏幕其余两边的阴影覆盖范围来确定手指的位置。这种方式产生的数据量大，要求有较高的处理速度，但其分辨率要比直线式高。

当屏幕是曲面时，由于光束组成的平面与屏幕有一定的距离，特别是在屏幕边缘处距离较大，在人的手指还没有接触到屏幕时就已产生了一个有效的选择，这会给人一种突发的感觉。

（4） 声表面波式触摸屏。声表面波式（SAW）触摸屏由传感器、反射器、触摸屏器件组成。它们可以固定在一块平的或弯曲的玻璃表面，也可直接固定在一台显示器的玻璃表面。传感器和反射器一起工作，当发射的声波穿过玻璃表面时，一只手指触到SAW触摸屏，则在触及到的地方声波发生衰减，这一信号的衰减被接收并被转换成x、y坐标传给计算机。SAW触摸屏通常采用压电传感器。传感器被固定在玻璃表面的一个小的用环氧化物做的压力楔块上，此压力模块是为了减少表面波进入到玻璃里面而设置的，并使传感器以一个合适的角度安置在屏幕上。压电传感器在SAW控制器的控制下用5.53 MHz的石英振荡器驱动，把电能转换为高频振荡，高频声能沿着玻璃表面传送。反射器沿着屏幕的顶部与右边排列，每一个反射器以一个合适的角度反射掉一小部分正在传送的声波。当被反射的声波到达屏幕相对的另一边时，又被另一个反射器反射并送到位于屏幕右下角的接收传感器。这个传感器把声波转换成电信号，SAW控制器把这些电信号转换成x、y和z坐标，并把这些坐标传送给计算机。这些传过屏幕不同位置的声波已经从x、y传感器以相应的一段时间传送了一段距离，用此时间可计算出触摸的位置。为弥补声波在传播过程中的衰减，反射器做成了排在一起的间距累进式闭路器，间隔为整数倍波长，最小间隔为1个波长，而最大间隔则依赖阵列的长度。每个阵列单元的宽度为半个波长。SAW屏中的表面波是压力波和横向波的混合波，选用这种波的一个因素是这种波能在传送介质表面的一个椭圆形区域中移动，这比其他具有上下或者往复运动特性的波要好。目前SAW触摸屏的分辨率比红外线式触摸屏的分辨率高，且比较实用。上述几种触摸屏的特性比较如表2-2所示。

表2-2 各类触摸屏特性比较

7.坐标数字化仪

坐标数字化仪是一种能把图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备，它采用的是电磁感应技术。通常在一块布满金属栅格的绝缘平板上放置一个可移动的定位设备，当有电流通过该定位设备上的电感线圈时，便会产生相应的磁场，从而使其正下方的金属栅格产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出定位设备当前所处的几何位置。将这种位置信息以坐标的形式传送给计算机，就实现了数字化的功能。

标准的坐标数字化仪有两个主要部分，一个是坚固的、内部布有金属栅格阵列的图板，在它上面可以对图形进行数字化；另一个是定位器，它提供图形的位置信息。图板和定位器内有相应的控制电路。定位器可以是光笔，也可以是多键的鼠标，常用的有4键，乃至16键，每个键都可以赋予特定的功能。坐标数字化仪的主要性能指标有如下几项。

（1） 最大有效幅面：指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按工程图纸的规格来划分，如A4、A3、A2、A1。

（2） 数字化的速率：由每秒几点到每秒几百点，大多采用可变方式，可由用户选择。

（3） 最高分辨率：分辨率是指数字化仪的输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般在每毫米几十线到几百线之间。最高分辨率取决于电磁技术，即对电磁感应信号的处理方法。

坐标数字化仪还提供多种工作方式供用户选择，如点方式、连续方式（流方式）、相对坐标方式等。这样，用户可方便地获取不同图形的坐标数据。坐标数字化仪与计算机的连接大多采用标准的RS232C串行接口，数据传送的速率（波特率）采用可变方式，最低为150或300，最高为9600或19200，数据位、停止和奇偶校验位等也都可以设置以便最大限度地满足各种不同的传送速率的要求。目前常用的坐标数字化仪如图2-2所示。

2.2.2 图形显示设备

图形显示设备是计算机图形学中必不可少的装置。多数图形设备中的监视器（亦称为显示器）采用的是标准的阴极射线管（CRT），也有采用其他技术的显示器。现在液晶显示器已逐渐增多。

1.阴极射线管

阴极射线管一般是利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形的。其主要组成部分有：

（1） 阴极——当它被加热时，发射电子；

（2） 控制栅——控制电子束偏转的方向和运动速度；

（3） 加速电极——用以产生高速的电子束；

（4） 聚焦系统——保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点；

（5） 偏转系统——控制电子束在屏幕上的运动轨迹；

（6） 荧光屏——当它被电子束轰击时发出亮光。

所有这些部件都封装在一个真空的圆锥形玻璃壳内，其结构如图2-3所示。

阴极射线管的技术指标主要有两条，一是分辨率，二是显示速度。一个阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别出的最大光点数称为分辨率。光点亦称为像素。分辨率主要取决于阴极射线管荧光屏所用荧光物质的类型、聚焦和偏转系统。显然，对相同尺寸的屏幕，点数越多，距离越小，分辨率越高，显示的图形就越精细。常用CRT的分辨率在1024×1024左右，即屏幕水平和垂直方向上各有1024个像素点。高分辨率的图形显示器分辨率能达到4096×4096。分辨率的提高除了CRT自身的因素外，还与确定像素位置的计算机字长、存储像素信息的介质、模数转换的精度及速度有关。衡量CRT显示速度的指标一般用每秒显示矢量线段的条数来表示。显示速度取决于偏转系统的速度、CRT矢量发生器的速度及计算机发送显示命令的速度。CRT采用静电偏转速度快，满屏偏转只需要3μs，但结构复杂，成本较高；采用磁偏转速度较慢，满屏偏转需要30μs。通常CRT所用荧光材料的刷新频率在20～30帧/秒。

2.彩色阴极射线管

CRT能显示不同颜色的图形是通过把发生不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示。影孔板法广泛用于光栅扫描的显示器中（包括家用电视机），这种CRT屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光材料，每一组有3个荧光点。当某组荧光材料被激发时，分别发出红、绿、蓝3种光，混合后即产生不同颜色。例如，关闭红、绿电子枪就会产生蓝色；以相同强度的电子束去激发全部3个荧光点，就会得到白色。廉价的光栅图形系统中，电子束只有发射、关闭两种状态，因此只能产生8种颜色，而比较复杂的显示器可以产生中间等级强度的电子束，因而可以达到几百万种颜色。

3.随机扫描图形显示器

随机扫描图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，在某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可以画出线很细的图形，故又称为画线式显示器或矢量式显示器。它的基本工作过程是从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符指令、方式指令（如高度、线型等），送到显示控制器，由显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上的荧光材料，从而出现一条发亮的图形轨迹。由于这类显示器一般使用低余辉的荧光粉，因此这个过程需要每秒至少30次的频率重复进行，否则图形就会出现闪烁。随机扫描的图形显示器的逻辑框图如图2-4所示。

4.存储管式图形显示器

随机扫描图形显示器使用了一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断地取出这些信息来刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，使得显示稳定图形时的画线长度有限，且造价较高。针对这些问题，20世纪70年代后期发展了利用存储管本身来存储信息的技术，这就是存储管技术。从表面上看，存储管的特性极像是一个有长余辉的CRT，一条线一旦画在屏幕上，在1小时之内都将是可见的。从内部结构上看，存储管也类似于CRT，因为它们都有类似的电子枪、聚焦偏转系统，在屏幕上都有类似的荧光涂层。然而这种显示器的电子束不是直接打在荧光屏上，而是先用写入枪将图形信息“写”在一个细网栅格（存储栅，每英寸有250条细丝）上，栅格上涂有绝缘材料。栅网装在靠近屏幕的后面，其上有由写入枪画出的正电荷图形。还有一个独立的读出电子枪，有时称为泛流枪，它发出的连续低能电子流把存储在栅网上的图形“重写”在屏幕上。这种显示器的一般结构如图2-5所示。

紧靠着存储栅后面的第2栅级，亦称为收集栅。它是一种细的金属网，其主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。这些电子以低速度流经收集栅，并被吸引到存储栅的正电荷上去（即相当于存有图形信息的部分），而被存储栅的其余部分所排斥。被吸引过去的电子直接通过存储栅并轰击荧光材料。为了增加低速电子流的能量并产生一个明亮的图形，在屏幕背面的镀铝层上维持了一个较高的正电位（约10 kV）。

显示图形时，由x和y输入信号来偏转写入电子束，存储栅表面被写入电子束轰击的地方就会发生二次电子发射。于是在写入电子束经过的表面就产生正电荷。擦去图形的正常方法是给存储栅加一个正脉冲，持续1～400 ms或更长时间。这时存储栅表面充电直到电压与收集栅一样。读出电子被带正电荷的存储栅表面吸引过去，使存储栅放电到等于读出电子枪的阴极电压，即地电位，图形就被擦去了。当加在存储栅上的脉冲向负值变化时，这时存储栅与读出电子彼此排斥，存储栅的电位将保持在负值上，为重新画图做好准备。

显示时通过存储栅网的电子流移动速度相当慢，因此不会影响网上的电荷图形。但这也带来一个问题，即难以局部清除存储的电荷以擦去部分图形，从而妨碍了产生动态图形的可能。缺乏有选择的擦去图形的能力，这是存储管式显示器最严重的缺点；其次，因为不是连续刷新图形，就不能用光笔；其三是屏幕的反差较弱，这是由于加到电子流上的加速电势相对比较低的缘故，并且当背景辉光积累时，图形亮度会逐渐下降。而辉光是由于少量排斥的流动电子沉积在存储栅网上引起的，1小时以后图形就看不清楚了。由于存储管式显示器有这些问题而使其推广应用受到较大的限制。

5.光栅扫描式图形显示器

随机扫描图形显示器和存储管式图形显示器都是画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上的一个可编地址点直接画到另一个可编地址点。光栅扫描式图形显示器（简称光栅显示器）是画点设备，可看做是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。它不能直接从单元阵列中的一个可编地址的像素画1条直线到另一个可编地址的像素，只能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线。显然，只有画水平、垂直及正方形对角线时，像素点集在直线路径上的位置才是准确的，其他情况下的直线均呈台阶状，或称为锯齿线，如图2-6所示。采用反走样技术可适当减轻台阶效果。

黑白光栅显示器的逻辑框图如图2-7所示，其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。黑白单灰度显示器每个像素需1位存储器，一个由1024×1024像素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小帧缓存是1048576位，并要在一个位面上。图形在计算机中是一位一位地产生的，计算机中的每一个存储位只有0或1两个状态，一个位面的帧缓存因此只能产生黑白图形。帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换，在帧缓存中的每一位像素必须经过存取转换才能在光栅显示器上产生图形。

在光栅图形显示器中需要用足够的位面与帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如图2-8所示的是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个像素的亮度是由N位面中对应的每个像素位置的内容控制的，即每一位的二进制值（0或1）被存入指定的寄存器中，该寄存器中二进制的数被译成灰度等级，其范围在0～2N-l之间。显示器的像素地址通常以左下角的点为屏幕（或称为设备）坐标系的原点（0，0）。对于由n×n个像素构成的显示器，其行、列的编址范围是0～N-1。亮度等级经数模转换器（DAC）变成驱动显示器电子束的模拟电压。对于有3个位面分辨率是1024×1024像素阵列的显示器，它需要3×1024×1024（3145728）位的存储器。为了节制帧缓存的增加，可通过颜色查找表来提高灰度等级，如图2-9所示。此时可把帧缓存中的位面号作为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可以有2W个灰度等级，但每次只能有2N个不同的灰度等级可用。若要用2N以外的灰度等级，需要改变颜色查找表中的内容。在图2-9中W是4位，N是3位，通过设置颜色查找表中最左位的值（0或1）可以使只有3位的帧缓存产生16种颜色。

图2-10所示的是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色有3个位面的帧缓存和3个电子枪。每个位面的帧缓存对应一个电子枪，即对应一种原色，3个颜色位面的组合色如表2-3所示。对每个颜色的电子枪可以用增加帧缓存位面的方式来提高颜色种类的灰度等级。如图2-11所示，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256（28）种亮度（灰度等级），3种原色的组合将是（28）3=224，即16777216种颜色。

表2-3 具有3个位面帧缓存的颜色表

这种显示器称为全色光栅图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存，这类帧缓存的位数N至少是24位。为了进一步提高颜色的种类，可以对每组原色配置一个颜色查找表，如图2-12所示，这里颜色查找表的位数W是10位，可以产生1073741824（230）种颜色，帧缓存的位数N是24位。

由于刷新帧缓存需要时间，目前光栅显示器的分辨率还不可能做得太高。如果每个像素的存取时间是200ns（200×10-9s），对于1024×1024的像素阵列的存取时间约为0.21s，即每秒钟只能刷新5帧屏幕。显然离不闪烁图形需要30帧/秒的速度，相差甚远。若显示器的分辨率是4096×4096，则每一个位面有16.78兆位的像素，此时每次存取全部像素的时间需要3 s，若要保证具有4096×4096的像素阵列显示器能产生不闪烁图形，即30帧/秒，则要求存取每个像素的时间要少于2ns，这相当于光通过2英尺距离的时间。目前一般的硬件速度还不可能达到这么高。可以通过采取其他措施，如把屏幕像素进行分组来实现。若把16、32或64个像素作为一组进行存取，这样可减少屏幕像素的存取时间，从而使实时图形显示成为可能。采用并行处理技术和并行处理硬件是当前能够使光栅显示图形达到实时的重要手段。

6.液晶显示器（LCD）

液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）与前面介绍的几种显示器不同，它是由6层薄板组成的平板式显示器，如图2-13所示。其中第1层是垂直电极板；第2层是邻接晶体表面的垂直网格线组成的电解层；第3层是液晶层；第4层是与晶体另一面邻接的水平网格线层；第5层是水平电极层；第6层是反射层。液晶材料是由长晶线分子构成的，各个分子在空间的排列通常处于极化方向相互垂直的位置。光线进入第1层时和极化方向垂直。当光线通过液晶时，极化方向和水平方向的夹角是90°，这样光线可以通过水平极板到达两个极板之间的液晶层。晶体在电场作用下将排列成行并且方向相同。晶体在这种情况下不改变穿透光的极化方向。若光在垂直方向被极化，就不能穿透后面的极板。光被遮挡，在表面会看到一个黑点。在液晶显示器的表面，在其相应的矩阵编址中如何使（x1，y1）点变黑？通常是在水平网格x1处加上负电压（-V），在垂直网格y1处加上正电压（+V），并称为触发电压。如-V或+V以及它们的电压差都不够大，晶体分子将仍排成行，这时光仍然可以穿过点（x1，y1）且不改变极化方向，即仍然保持垂直极化方向，入射光不能穿过晶体到达尾部极板，从而在（x1，y1）处产生黑点。要显示以（x1，y1）到（x2，y2）的一条直线段，就需要连续地一个接一个地选择需要显示的点。在液晶显示器中，晶体分子一旦被极化，它将保持此状态达几百毫秒，甚至当触发电压切断后仍然保持这种状态不变，这对图形的刷新速度影响极大。为了解决这个问题，在液晶显示器表面的网格点上有一个晶体管，通过晶体管的开关作用可以快速改变晶体状态，同时也可以控制状态改变的程度。晶体管还可用来保存每个单元的状态，从而可随刷新频率的变化而周期性地改变晶体单元的状态。这样LCD可用来制造连续色调的轻型电视机和显示器。

7.等离子显示器

等离子显示器是用许多小氖气灯泡构成的平板阵列制作成的，每个灯泡处于“开”或“关”状态。等离子板不需要刷新。等离子显示器一般由3层玻璃板组成。在第1层的里面是涂有导电材料的垂直条，中间层是灯泡阵列，第3层是表面涂有导电材料的水平条。要点亮某个地址的灯泡，开始要在相应行上加较高的电压，等该灯泡点亮后，可用低电压维持氖气灯泡的亮度。要关掉某个灯泡，只要将相应的电压降低即可。灯泡开关的周期时间是15 ms。通过改变控制电压，可以使等离子板显示不同灰度的图形。等离子显示器的优点是平板式、透明、显示图形无锯齿现象，也不需要刷新缓冲存储器。等离子显示器的3层结构如图2-14所示。

2.2.3 硬拷贝输出设备

图形显示设备只能在屏幕上产生各种图形，但在计算机图形学中还必须把图形画在纸上，常用的图形绘制设备也称为硬拷贝输出设备，有打印机和绘图仪两种。

打印机是廉价的产生图纸的硬拷贝设备，从机械动作上常分为撞击式和非撞击式两种。撞击式打印机使成型字符通过色带印在纸上，如行式打印机、点阵式打印机。非撞击式打印机常用的技术有喷墨技术、激光技术，这类打印设备速度快，噪声小，已逐渐替代以往的撞击式打印机。

1.喷墨打印机

喷墨打印机既可用于打印文字又可用于绘图（实质是打印图纸）。喷墨打印机的关键部件是喷墨头，通常分为连续式和随机式。连续式的喷墨头射速较快，但需要墨水泵和墨水回收装置，机械结构比较复杂。随机式打印机墨滴的喷射是随机的，只有在需要印字（图）时才喷出墨滴，墨滴的喷射速度较低，不需墨水泵和回收装置。若采用多喷嘴结构也可以获得较高的印字（图）速度。随机式喷墨方式常用于普及型便携式打印机，连续式喷墨方式多用于喷墨绘图仪。常用的喷墨头有4种。

（1） 压电式。这种喷墨头使用压电器件代替墨水泵的压力，根据印字（图）的信息对压电器件用电压压迫墨水喷成墨滴进行印字印图。这种喷墨头是早期喷墨打印机采用得最多的一种，并一直沿用至今，但这种喷墨头要想进一步提高分辨率会受到压电器件尺寸的限制。

（2） 气泡式。气泡式喷墨头在喷嘴内装有发热体，在需要印字印图时，对发热体加电使墨水受热而产生气泡，随着温度的升高气泡膨胀，将墨水挤出喷嘴进行印字印图。

上述两种喷墨头由于机械尺寸所限，难以进一步提高分辨率。由于都使用水性墨水，墨水容易干涸造成微细喷嘴的阻塞。

（3） 静电式。静电式喷墨头采用高沸点的油性墨水，利用静电吸引力把墨水喷在纸上。

（4） 固体式。固体式喷墨头采用固体墨，有96个喷嘴，其中48个喷嘴用于黑色印字印图，青、黄、品红三原色各用16个喷嘴，其分辨率可达300dpi。印制彩色图像时的输出速度比上述喷墨头快。

2.激光打印机

激光打印机既可用于打印字符又可用于绘图，主要由感光鼓、碳粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝组成，如图2-15（a）所示。激光打印机开始工作时，感光鼓旋转，通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷，如图2-15（b）所示。打印数据从计算机传至打印机，经处理送至激光发射器。在发射激光时，激光打印机中的一个六面体反射镜开始旋转，此时可以听到激光打印机发出特殊的丝丝声。反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据决定激光的发射或停止。每个光点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上，感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，从而在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化图像。感光鼓旋转到碳粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像，如图2-15（c）所示。下面将要把图像传到打印机上。打印纸从感光鼓和转移电晕丝中通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动，然后在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像，如图2-15（d）所示。打印纸继续向前运动，通过高达204℃高温的熔凝部件，碳粉定型在打印纸上，产生永久图像。同时，感光鼓旋转至清洁器，将所有剩余在感光鼓上的碳粉清除干净，开始新一轮的工作。

3.静电绘图仪

静电绘图仪是一种光栅扫描设备，它利用的是静电同极相斥异极相吸的原理。图2-16所示的是单色静电绘图仪的运行原理图。单色静电绘图仪把像素化后的绘图数据输出至静电写头上，一般静电写头是双行排列，头内装有很多电极针。写头随输入信号控制每根电极针放出高电压，绘图纸正好横跨在写头与背板电极之间，纸通过写头时，写头便把图像信号转换到纸上。带电的绘图纸经过墨水槽时，因为墨水的碳微粒带正电，所以墨水被纸上的电子吸附，在纸上形成图像。彩色静电绘图的原理与单色静电绘图的原理基本相同，不同之处是彩色绘图需要把纸来回往返几次，分别套上紫、黄、青、黑4色，这4种颜色分布在不同位置可形成4000多种色彩图。目前彩色静电绘图仪的分辨率可达800dpi，绘出的彩色图片比彩色照片的质量还要好，但高质量的彩色图像需要高质量的墨水和纸张。

4.笔式绘图仪

笔式绘图仪分为滚筒式和平板式两种。顾名思义，平板式笔式绘图仪是在一块平板上画图，绘图笔分别由x、y两个方向进行驱动。而滚筒式绘图仪是在一个滚筒上画图，图纸在一个方向（如x方向）滚动，而绘图笔在另一个方向（如y方向）移动。两类绘图仪都有各自的系列产品，其绘图幅面有A3～A0以及A0加长等几种。笔式绘图仪的主要性能指标包括最大绘图幅面、绘图速度和精度、优化绘图以及绘图所用的语言。

各绘图仪生产厂家在推销自己的产品时，往往把速度放在第一位。由于绘图仪是一种慢速设备，它的速度快就会提高整个系统的效率。绘图仪给出的绘图速度仅是机械运动的速度，不能完全代表绘图仪的效率。机械运动速度的提高必然要受各种机电部件性能的限制，甚至还会受绘图笔性能的限制，所以各厂家十分重视绘图优化。

绘图仪的速度与主机数据通信的速度相差很大，不可能实现在主机发送数据的同时，绘图仪完成图形数据的绘制任务。一般是由绘图缓冲存储器先把主机发送来的数据存下来，然后再让绘图仪“慢慢地”去画。绘图缓冲存储器容量越大、存的数据越多、访问主机的次数越少，相应的绘图速度越快。绘图优化是固化在绘图仪里的一个专用软件，它只能搜索、处理已经传送到绘图缓冲存储器中的数据，对于那些还存放在主机中的数据自然是无能为力的。

与绘图仪精度有关的指标有相对精度、重复精度、机械分辨率和可寻址分辨率。相对精度一般统称为精度，它取绝对精度和移动距离百分比精度二者之中最大的值。机械分辨率指的是机械装置可能移动的最小距离。可寻址分辨率则是指图形数据增加一个最小单位所移动的最小距离。可寻址分辨率一定比机械分辨率大。在主机向绘图仪发送数据的同时还要发送指挥绘图仪实现各种动作的命令，如拾笔、落笔、画直线段、画圆弧等。然后由绘图仪去解释这些命令并执行。这些命令格式便称为绘图语言。在每种绘图仪中都固化有自己的绘图语言，其中HP公司的HPGL绘图语言应用得最广泛，并有可能成为各种绘图仪未来的标准语言，常用笔式绘图仪的示意图如图2-17所示。